考虑基础下卧土体周围真实侧限条件的压缩试验仪及应用的制作方法

1.本发明属于岩土工程试验技术领域，尤其涉及一种考虑基础下卧土体周围真实侧限条件的压缩试验仪及应用。
技术背景：
2.地基沉降一直以来都是岩土工程领域备受重视的重要课题，预先确定上部建筑物作用荷载下地基的沉降量值对于整个工程来说具有重要意义，也是决定工程项目成败的关键。如何选用合理的方法对地基沉降进行定量计算是岩土工程技术人员长期关心的问题。
3.目前，行业内主要采用的方法是基于常规的土体压缩试验获取e-p(孔隙比-竖向应力)压缩曲线，而后结合分层总和的方法计算地基沉降量，最后还需将计算得到的沉降量乘以一项大于1的经验放大系数方可视为地基真实的沉降量。很明显，采用常规压缩试验算得的沉降量和实际沉降相比是偏小的，因此需要乘以经验系数将计算值放大。其计算值偏小的主要原因在于常规压缩试验本身的缺陷，其压缩仪的加压板几乎覆盖了整个环刀面，将环刀内的土样全部置于加压板之下，因此土样几乎没有侧向变形的余地，只能在竖向压力下发生受限制的竖向变形。而实际上，基础下卧的正下方土体虽亦会受到其周围土体的限制作用，但该种限制作用具有深度效应，即越浅的部位，由于周围土体上部土压力小，因此侧限作用很弱，而越深的部位，周围土体受上部较大土压力的压制，使其对于基础正下方土体的变形限制作用亦逐渐增强。常规的压缩试验相当于无限放大了基础下卧土体的侧向变形限制，从而使得试验测得的试样变形值偏小，并进而导致地基沉降量的计算值亦不准确。


技术实现要素：

4.本发明第一个目的在于，基于地基沉降问题在岩土工程中的普遍性和重要影响，以及当前常规压缩试验存在的缺陷，使试验能完全模拟基础下卧土体的真实力学条件，从而确保试验所测变形数据的合理性，提供一种考虑基础下卧土体周围真实侧限条件的压缩试验仪。
5.为此，本发明的上述目的通过如下技术方案实现：
6.考虑基础下卧土体周围真实侧限条件的压缩试验仪，其特征在于：所述压缩试验仪包括主试验舱、加载压板、液压加载系统、监测控制系统和框架；
7.所述主试验舱位于压缩试验仪的中央，所述主试验舱由桶形试验舱钢壁所围绕形成，所述主试验舱内自上而下设置透水石和土样，所述透水石包括中心透水石和环绕在中心透水石周侧的周围透水石，所述中心透水石和周围透水石之间具有一定的环形缝隙；相应地，所述土样包括中心土样和周围土样，所述中心土样与中心透水石相对应，所述周围土样与周围透水石相对应；环形缝隙是为了避免试验时中心透水石与周围透水石、中心主压板与周围压板之间产生摩擦。中心透水石和周围透水石是为压缩试验时允许土样内的水排出。中心土样代表实际工程中位于基础正下方的土体，而周围土样则代表实际工程中基础
范围之外的外围土体。周围压板设置有透水孔，用于压缩试验时水体排出。
8.所述加载压板设置在透水石上，所述加载压板包括中心主压板和周围压板，所述中心主压板设置在中心透水石上，所述周围压板设置在周围透水石上；
9.所述液压加载系统用于对处于中心土样、中心透水石上方的中心主压板进行压力加载；
10.所述监测控制系统用于控制液压加载系统上、下移动以对液压加载系统进行伺服控制，对液压加载系统进行压力监测，以及用于监测上覆土压力作用下整体土样的原始沉降、监测附加压力作用下中心土样的附加沉降。
11.在采用上述技术方案的同时，本发明还可以采用或者组合采用如下技术方案：
12.作为本发明的一种优选技术方案：所述加载压板配备标准重量，并配套多件相同重量、相同尺寸的压板套件以用于模拟不同深度条件下土样的上覆土压力，包括：分别用于模拟中心土样上方不同程度的土压力以及用于模拟周围土样上方不同程度的土压力。
13.作为本发明的一种优选技术方案：所述中心透水石整体呈圆盘形，所述周围透水石整体呈环形。
14.作为本发明的一种优选技术方案：所述周围透水石与试验舱钢壁之间具有一定的环形缝隙。
15.作为本发明的一种优选技术方案：所述液压加载系统包括液压升降机、升降台、控制器、加压轴以及承力槽，升降台呈阶梯状设计；
16.所述液压升降机固定至框架的框架柱上；
17.所述控制器与监测控制系统相连接，并由监测控制系统所控制以驱动升降台沿着液压升降机上、下移动以带动加压轴推进处于加压轴下方的承力槽；
18.所述加压轴固定至升降台底面中央位置，所述承力槽固定至中心主压板顶部中央位置，所述承力槽内侧用于容纳加压轴的下端部，用于支承加压轴的附加压力，即模拟基础传递给地基土的建筑物附加压力。承力槽采用轻型材质，可忽略其重量。
19.作为本发明的一种优选技术方案：所述加压轴整体呈长圆柱状，且下端部呈半球状以与承力槽内侧光滑接触，并施以附加压力。
20.作为本发明的一种优选技术方案：所述监测控制系统包括压力传感器，所述压力传感器设置在中心主压板上与液压加载系统相接触的位置，具体地，压力传感器设置在承力槽的内侧，用于监测加压轴下移时施加的附加压力，并由传输电缆反馈给计算机，计算机则根据预设的附加压力值对其进行判断，并通过对控制器发出指令伺服控制升降台的升降，确保所施加的附加压力值为目标值。
21.作为本发明的一种优选技术方案：所述监测控制系统包括第一位移传感器和第二位移传感器，所述第一位移传感器和第二位移传感器均设置在液压加载系统内升降台阶梯部底面上，所述第一位移传感器用于监测上覆土压力作用下整体土样的原始沉降，所述第二位移传感器用于监测附加压力作用下中心土样的附加沉降。
22.作为本发明的一种优选技术方案：所述监测控制系统包括计算机，计算机为监测控制系统的核心，其连接有信号传输电缆，可接受来自所有传感监测设备反馈的实时数据，同时可对相应功能部件及时地发出实时指令，尤其是通过对控制器发出指令，从而实现对液压加载系统的伺服控制。
23.作为本发明的一种优选技术方案：所述框架的底座通过螺钉固定于牢靠的特殊水泥地面上，主要起到保护试验设备和提供支撑反力的作用。
24.本发明第二个目的在于，提供前文所述的考虑基础下卧土体周围真实侧限条件的压缩试验仪在不同深度条件下土样的压缩试验中的应用。
25.本发明还有一个目的在于，提供前文所述的压缩试验仪在不同深度条件下土样的压缩试验中的应用中所获取的不同深度条件下中心土样的竖向应变-附加压应力曲线在地基沉降计算中的应用。
26.本发明提供一种考虑基础下卧土体周围真实侧限条件的压缩试验仪及应用，与现有技术相比，具有如下有益效果：
27.(1)、相比常规压缩试验，本发明能高度还原基础下卧土体周围随深度变化的侧向限制条件，而不是将侧向限制条件无限放大。通过考虑基础下卧土体周围随深度变化的真实侧限条件，解决了常规压缩试验无限放大土体侧向限制条件的固有缺陷，从而成功避免因侧向限制条件无限放大而造成的土样变形测量值偏小的问题；
28.(2)、本发明区分基础下卧中心土样和周围土样，并对其进行有区别的竖向加载，能更加清晰地区分上覆土压力的作用和建筑物附加压力的作用；
29.(3)、本发明采用双位移计实施不同功能的监测，其一先进行上覆土压力作用下整体土样的原始沉降监测，其二再进行建筑物基础附加压力作用下主压板下卧中心土样的沉降监测，能实现两种不同压力作用的有效区分；
30.(4)、本发明采用代表不同深度下中心土样的ε
1-δp(竖向应变-附加压应力)曲线替代常规压缩试验的e-p(孔隙比-竖向压应力)曲线，使分层总和计算地基沉降更为方便；
31.(5)、本发明采用计算机伺服控制系统，可接收并处理传感监测设备反馈的数据，并通过传输信号自动对仪器的功能部件进行伺服控制。
附图说明
32.图1为本发明所提供的考虑基础下卧土体周围真实侧限条件的压缩试验仪的图示；
33.图2为图1中a-a向视图；
34.图3为图1中b-b向视图；
35.图4a-图4g分别为模拟不同深度条件下的压缩示意图(图4a至图4g依次模拟深度由表层向深层)；
36.图5为对应于图4a-图4g中各深度条件下中心试样的s-p(沉降-压应力)曲线；
37.图6为压缩试验中心试样的压缩示意；
38.图7为对应于图5中各深度条件下中心试样的ε
1-δp(竖向应变-附加压应力)曲线；
39.图8为典型的地基沉降计算剖面图；
40.图中：1-框架柱；2-液压升降机；2a-控制器；3-位移传感器
②
；4-承力槽；5-周围压板；6-透水孔；7-周围透水石；8-中心透水石；9-周围土样；9a-中心土样；10-螺钉；11-框架底座；12-加压轴；13-位移传感器
①
；14-升降台；14a-升降台阶梯部
①
；14b-升降台阶梯部
②
；14c-升降台阶梯部
③
；15-试验用计算机；16-数据传输缆线；17-中心主压板；17a-特制
轻型压板；18-压力传感器；19-试验舱钢壁；20-特殊水泥地面；21-环形缝隙
①
；22-环形缝隙
②
；23-附加压应力；24-沉降量；25-压应力；26-压应力p1后施加的附加压应力δp1；27-附加压应力δp1下产生的附加沉降δs1；28-压应力p1对应的沉降s1；29-中心土样原始高度；30-中心土样在压应力p1压缩后高度；31-中心土样在压应力p1及附加压应力δp1压缩后高度；32-中心土样(中心主压板)直径；33-中心土样加附加压应力δp后的竖向应变ε1。
具体实施方式
41.参照附图和具体实施例对本发明作进一步详细地描述。
42.一种考虑基础下卧土体周围真实侧限条件的压缩试验仪，其结构如图1所示，主要包括主试验舱、加载压板、液压加载系统、监测控制系统和框架五个功能部分。
43.上部，液压升降机2安装于框架柱1上，升降台14架于液压升降机2上，可由控制器2a的调节沿升降机2上下升降。升降台14呈阶梯状设计，梯层底面分别安装有位移传感器
①
13和位移传感器
②
3，其位移监测数据可由传输电缆16反馈给计算机15。升降台14底部正中设置加压轴12，加压轴12底部呈半球形，可与其下方的承力槽4光滑接触并施以压力。承力槽4固定于中心主压板17顶面正中，其表面装有压力传感器18，用于监测加压轴12下移时施加的附加压力，并由传输电缆16反馈给计算机15。
44.中部，试验舱钢壁19呈桶形固定于框架底座11，与中心透水石8及周围透水石7构成土样9、9a的装填空间，其中沿中心透水石8边沿往下记为中心土样9a，相应的沿周围透水石轮廓7往下记为周围土样9。同样的，中心透水石8上方堆载中心主压板17，周围透水石7上方堆载周围压板5，其中中心主压板17顶面正中设有承力槽4，周围压板5开有透水孔6，允许压缩试验时水体排出。
45.下部，螺钉10将框架底座11与特殊水泥地面20固连，使框架整体得到固定。
46.图2为图1中a-a向视图，展示了加压轴12、承力槽4、中心主压板17、周围压板5、主试验舱钢壁19、周围透水石7之间的空间关系。可见，加压轴12抵在承力槽4上，而承力槽4固连于中心主压板17顶面正中。中心主压板17与周围压板5之间控制有环形缝隙
①
21，亦即中心透水石与周围透水石7之间的环缝。周围压板5开有透水孔6，允许土样内水体流出。周围透水石7与试验舱钢壁19之间控制有环形缝隙
②
22。环形缝隙的设计可避免试验时部件之间产生摩擦。
47.图3为图1中b-b向视图，展示了升降台的阶梯状设计，以及位移传感器的位置。可见升降台分为三层设计，位移传感器
①
13安装于升降台阶梯部
①
14a的底面上，位移传感器
②
3安装于升降台阶梯部
③
14c的底面上。同时可见加压轴12固连于升降台阶梯部
③
14c的底面上。
48.以下结合图4a-图4g至图6，对本发明进行压缩试验和地基沉降计算的基本步骤如下：
49.一、中心土样s-p压缩曲线的获取
50.采用如图4a-图4g所示，开展不同深度条件下土样的压缩试验(图4a至图4g依次模拟深度由表层向深层，土样埋深越大对应于上覆土压应力越大，表示周围土样9对中心土样9a的侧向变形限制也越强)，例如图4a即模拟表层条件下中心土样受到附加压应力23后的压缩，而图4b至图4g则分别表示施加不同量级的上覆土压力p1、p2、p3、p4、p5以及p6后，再给
中心土样9a施加附加压应力23的压缩。需说明的是，上覆土压应力采用压板重量来实现，增加上覆土压应力则是通过增加压板的层数来实现。中心主压板17和周围压板5均采用标准配重，并均配套多件相同重量相同尺寸的压板套件。如图4a-图4g所示，需确保每一层的中心主压板17和周围压板5施加给土样(9、9a)的压应力是处处相等的，即一层压板代表的上覆土压应力为p1，二层则是p2，以此类推。另外，图4a模拟表层无上覆土压应力时，中心土样9a的上方本不应加中心压板17，但为了避免中心透水石被压坏，故采用很薄的特制轻型压板17a盖于中心透水石之上，如此既可避免透水石压坏，亦可模拟该情形下表层无上覆土压应力的条件。
51.根据图4a-图4g所示的压缩试验，获取图5所示的s-p压缩曲线。可见，当中心土样9a和周围土样9上方同时持续施加统一的上覆土压应力过程中(即常规压缩试验，周围土样9同步受压，意为非开放型)，随着压应力p的增加，可获得常规的压缩曲线0，压应力越大则压缩逐渐变难。而在施加某一量级的上覆土压应力后，再给中心土样9a施加附加压应力时，则中心土样9a的s-p曲线在上覆土压应力点出现向下的发展趋势(周围土样不再受附加压应力，意为开放型)，即沉降越来越大，该种增大趋势还与上覆土压应力有关，上覆土压应力越大，则中心土样施加附加压应力后所产生的沉降增大趋势越不明显，例如上覆土压应力增大到p6再给中心土样加压时，其开放型压缩曲线1已逐渐向常规压缩曲线靠拢。图中选取上覆土压应力p1为例，在施加上覆土压应力p1后土样先产生先期沉降s128，之后再给中心土样施加附加压应力δp126，则中心土样再产生对应的附加沉降δs127。相应的，在施加上覆土压应力p2、p3、p4、p5或者p6后，土样先产生先期沉降依次可记为s2、s3、s4、s5以及s6(图中不再重复标示)。
52.二、中心土样ε
1-δp压缩曲线的转换
53.以施加上覆土压应力p1后，再给中心土样9a施加附加压应力为例，展示中心土样9a的压缩过程如图6，中心土样9a填筑时的高度为h29，直径记为d32。施加上覆土压应力p1条件下，周围土样9和中心土样9a先同时压缩，发生s1的先期沉降，该沉降完全由上方土体的压应力所造成，试验中通过施加压板重量来实现，该过程中升降台位于一定位置固定不动，由位移传感器
②
3监测该项先期沉降s1，中心土样9a的高度由填筑时的高度h29压缩为h-s130。
54.先期沉降稳定后，缓慢下降升降台，当加压轴底部刚触及承力槽内的压力传感器时，传感器一有反应，即开始进行目标附加压应力值(例如δp1)下的加载，并同步采用位移传感器
①
13监测加载过程中升降台的位移。加载过程采用伺服控制，即压力传感器将测得的压力p传输给计算机，再由计算机核对δp＝4p/(πd2)是否为目标值δp1，若偏离该值则及时地通过对控制器发出指令，伺服控制升降台上下移动，确保传感器测得的压力始终满足目标值要求。该加载过程中，位移传感器
①
13持续监测升降台位移，直至位移值稳定不变，该位移即为中心土样9a在附加压应力δp1下产生的附加沉降δs127。该过程中，中心土样的高度由h-s130变为h-s
1-δs131。由附加压应力δp1产生的竖向应变为需注意，h-s130为上覆土压应力p1条件下(即对应的埋深下)中心土样的真实起始高度。同样的，分别在不同量级的上覆土压应力条件下对中心土样开展不同附加压应力下的压缩试验，则可获得如图7所示的代表不同上覆土压应力(p1、p2、p3、p4、p5以及p6)条件下中心试样的ε
1-δp曲线。
55.三、地基沉降计算
56.根据如图7所示的试验结果，对图8中承受建筑物附加总荷载δp条件下基础地基的沉降进行计算。首先将基础以下受到附加压应力影响的计算深度总计为h，基础埋深为h/12，之后对h进行分层，共计分为6层计算层，每一层厚度h/6(该厚度为施加附加压应力前，已经受上覆土压力压缩后的真实起始厚度)，每层所受到的平均上覆土压应力假设由上往下依次为p1、p2、p3、p4、p5以及p6，所受到基础传递的平均附加压应力分别记为δp1、δp2、δp3、δp4、δp5以及δp6。结合图7所示的不同埋深条件下中心试样的ε
1-δp曲线，可根据竖向应变的概念得到地基沉降的计算公式为：
[0057][0058]
式中，表示图7中p1后开放型ε
1-δp曲线6在δp1附加压应力下对应的竖向应变；表示图7中p2后开放型ε
1-δp曲线5在δp2附加压应力下对应的竖向应变；表示图7中p3后开放型ε
1-δp曲线4在δp3附加压应力下对应的竖向应变；表示图7中p4后开放型ε
1-δp曲线3在δp4附加压应力下对应的竖向应变；表示图7中p5后开放型ε
1-δp曲线2在δp5附加压应力下对应的竖向应变；表示图7中p6后开放型ε
1-δp曲线1在δp6附加压应力下对应的竖向应变。
[0059]
若将计算深度分为n层，则地基沉降的计算公式可写为：
[0060][0061]
上述具体实施方式用来解释说明本发明，仅为本发明的优选实施例，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明做出的任何修改、等同替换、改进等，都落入本发明的保护范围。